微波介質振蕩器抗振結構的模態分析及其設計

劉勇

x摘? 要：在進行微波部件和組件結構設計的時候，利用有限元模態分析法進行設計能夠提高相關結構的可靠性和產品的性能。用模態分析對微波介質振蕩器進行分析，從而得到其相應的固有頻率、振型以及其接受到壓力時的應變分布情況，在產品抗振結構的設計中，能夠提供更好的優化設計方案。經過相應的結構優化，在100～1kHz范圍、功率譜密度為0.08/Hz的強振動條件下，Ku波段的微波介質振蕩器的相噪惡化不會超過5dB，其輸出的信號頻譜不會出現扭曲、雜波，在實際工程中達到了一定的需求。

關鍵詞：微波介質振蕩器? 模態分析? 抗振結構設計

中圖分類號：TN572 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（c）-0067-02

隨著社會科學技術的不斷發展，無線通信技術已經廣泛的應用到人們的日常生活中。在現代電子系統中，微波介質振蕩器是其不可或缺的重要組成部分。在導航系統、衛星通信等領域，微波介質振蕩器都得到了廣泛的使用。有限元分析法是通過模態分析來分析微波部件的結構，通過改善振蕩器等微波部件的結構，提高微波部件結構的固有頻率，從而在微波部件的使用過程中，避免其與安裝板發生共振的情況出現，增加振蕩器等微波部件的穩定性。通過分析微波部件的固有振型，改進相關的結構，能夠得到最優化的結構設計方案。

1? 關于微波部件結構的模態分析

微波介質振蕩器作為微波部件的一種，首先我們可以談一談使用模態分析法對微波部件分析情況。在對微波部件結構的固有頻率和振型等振動特性分析時，通常會使用模態分析法。在分析的過程中，如果發現部件結構的固有頻率越高，那么結構的剛度就越大，微波部件的可靠性就越高。安裝板有屬于自己的基頻，但其頻率不能夠高于微波部件的固有頻率，只有這樣，微波部件和安裝板之間產生共振的情況才會避免出現。通過使用有限元分析法對微波部件的結構進行模型建立，再利用模態分析法來指導微波部件結構的設計，如果想要提高微波部件結構的固有頻率，可以通過選擇剛度高的材料以及改善部件結構等來實現。

（1）在用模態分析法對結構分析時，利用相應的計算方式來計算固有頻率和固有振型。其中用來描述振動的基本運動方程如（1）式所示：

（2）在使用有限元分析軟件對微波部件結構進行分析時，建立結構模型、劃分網格以及根據相關條件進行求解是其主要過程。在對微波部件結構進行分析時，有限元模型的建立是最主要的，在微波部件中，4個相互獨立的盒體組成其整體的結構，在螺釘的作用下，盒體能夠疊放在一起，接觸安裝板的那個盒體會伸出4個安裝腳，以便能夠與安裝板固定在一起。對于微波部件結構中的盒體，其結構較為復雜，4個安裝腳的網格密度都比較大，計算起來花費的時間就會越長，所以盒體網格的密度要適中，這就需要進行網格的劃分。在對微波部件結構進行模態求解時，通過螺釘的作用，4個安裝腳與安裝板相互固定，接著用一定的約束力操作接觸面上的4個固定點，得到前5階的情況并對其進行模態分析。我們可以發現微波部件的固有頻率振型在不同的階段呈現出不同的特點。

2? 基于模態分析的微波介質振蕩器抗振結構設計分析

微波介質振蕩器是一種微波部件，它能夠將具有高品質因數的介質諧振器當作一種反饋穩頻元件，集成到微波振蕩器電路中，對于輸出穩定的特定頻率起到了作用。微波介質振蕩器具有很多的優點，它的相位噪聲低，體積小不占用空間，成本低并且工作效率高，在電路中具有較高的溫度穩定性和可靠性。其被廣泛的應用在雷達、電子對抗、精確制導等各種微波系統中，對于微波介質振蕩器的抗振性能進行相關的優化設計，能夠保證相關設備的抗振動能力、保障產品的性能和可靠性。

（1）在振動條件下微博介質振蕩器失效模式和原因分析。

在電子設備中，電性能和系統的穩定性受到振動的影響，如果振動出現異常就會對設備造成破壞作用。這種現象可以分為兩類，一類是電子設備結構和工藝性遭到破壞，電子設備中微波部件的疲勞，出現磨損、連接件松動和分離的情況等;一類是電子設備功能和性能的破壞，主要表現為工作失靈和性能降低等。微博介質振蕩器屬于微波組件，一般會出現后者的故障情況，其表現為相位噪聲惡化，出現跳頻、雜波等。通過相關研究分析，造成這類問題出現的原因是振動機械波使諧振腔體發生了形變，導致諧振腔內場分布發生連續的隨機變化。

為了提高相關組件的可靠性，可以利用有限元分析法，對相應的部件結構進行分析，通過對固有振型和共振頻率的分析，進而對結構進行相應的改善來提高固有頻率，避免微博介質振蕩器與安裝載體發生共振，從而提高其抗振特性。

（2）對于微波介質振蕩器（DRO）組件結構的模態分析。

在進行微波介質振蕩器（DRO）組件結構分析時，要根據相應的理論基礎來進行計算。依據經典力學理論，物體振動的方程為：

（3）微波介質振蕩器（DRO）組件結構材料的選擇。

在處于靜態的時候，組件具有抵抗變形的能力，在動態情況下，結構具有一定的固有頻率，這兩者是微波介質振蕩器（DRO）組件結構的剛度。組件結構抵抗變形的能力和固有頻率隨著組件結構剛度的變化而變化。在計算部件固有頻率時，通用的公式如下所示。

其中材料的彈性模量為E;材料的壁厚為t;材料的泊松比為γ。通過（6）式和（7）式的計算可以知道，剛度與盒體的壁厚成正比，合體越厚，剛度就越大，對材料質量就會有越嚴格的要求。如果想要盒體的質量盡可能小，那么就要在部件結構設計的過程中，綜合考慮材料質量和剛度的問題，如果要進行相應的改善，在確保結構重量的前提下，加大剛度的強度。

3? 結語

在設計微波介質振蕩器（DRO）組件結構時，對組件結構進行模態分析，接著計算出組件結構的固有頻率和固有振型，從而進一步改進部件的結構，保證產品的功能性和可靠性。利用有限元模態分析方法對微波介質振蕩器（DRO）組件結構進行相應的分析，提高組件的固有頻率可以通過改善組件相應的諧振腔結構來實現，從而避免微波介質振蕩器（DRO）與安裝板之間產生共振。通過相應的方法來分析組件結構的固有振型，能夠進一步改進相關的結構，指導產品結構設計，以此來解決微波介質振蕩器在強振動條件下性能下降的問題，提高產品的穩定性和可靠性。

參考文獻

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